CN112282856A - 一种用于抑制通道涡的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，包括叶片本体和端壁结构，该端壁结构为一对结构相同并且互相对称设置的涡发生器，所述涡发生器安装在叶片本体的前缘根部。与现有技术相比，本发明通过在叶片本体的前缘根部布置旋涡发生器，流体经过后形成一对与通道涡旋转方向相反的稳定湍流旋涡，以此抑制马蹄涡，从根本上削弱通道涡强度，减小其造成的气动损失影响。

Description

一种用于抑制通道涡的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种叶轮机械领域，尤其是涉及一种用于抑制通道涡的涡轮叶片。
背景技术
现代叶轮机械气动设计中，有一个亟需解决的问题是：如何有效抑制通道涡生成，降低气动损失，进而提高旋转机械的气动效率。当高速来流与涡轮叶片撞击时，低动量边界层流体由于自身惯性产生卷吸，在叶片前缘和端壁交界处形成马蹄涡；沿吸力侧的分支会缠绕吸力面，然而沿压力侧分支由于通道逆压梯度作用会偏向相邻叶片形成通道涡。形成的旋涡将撞击邻近翼型的吸力面，并向叶高偏转。顺着流线方向通道涡的尺度和强度不断变大，它在下游撞击叶片表面产生的气流扰动使得附加损失急剧增加，因此在尾缘位置通道涡的影响非常大
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于抑制通道涡的涡轮叶片。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，包括叶片本体和端壁结构，该端壁结构为一对结构相同并且互相对称设置的涡发生器，所述涡发生器安装在叶片本体的前缘根部。
进一步地，每个涡发生器为弯曲的尖角状，两个涡发生器的尖角相向弯曲。
进一步地，每个涡发生器包括迎风曲面、背风曲面、底面和端面，其中迎风曲面、背风曲面、底面和端面均为三角面，所述底面的三条边分别连接迎风曲面、背风曲面和端面，所述迎风曲面、背风曲面和端面的侧边互相两两连接，所述端面连接叶片本体。
进一步地，所述背风曲面的面积大于迎风曲面的面积。
进一步地，所述的底面为平面。
进一步地，迎风曲面和底面相连形成曲线A，迎风曲面和背风曲面相连形成曲线B、背风曲面和底面相连形成曲线C，曲线C的长度大于曲线B的长度，曲线B的长度大于曲线A的长度。
进一步地，每个涡发生器的宽度小于等于涡流叶片通道间距的四分之一。
进一步地，每个涡发生器的宽度为涡发生器高度的1～5倍。
进一步地，每个涡发生器的长度为涡发生器宽度的0.5～4倍。
进一步地，每个涡发生器高度为涡发生器的边界层厚度的0.25～4倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在叶片本体的前缘根部布置旋涡发生器，流体经过后形成一对与通道涡旋转方向相反的稳定湍流旋涡，以此抑制马蹄涡，从根本上削弱通道涡强度，减小其造成的气动损失影响。
2、本发明结构相对简单，易于加工；对整体设计造型进行优化，应用方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为涡发生器的结构示意图。
图3为涡发生器的主视示意图。
图4为涡发生器的俯视示意图。
附图标记：1、叶片本体，2、涡发生器，21、迎风曲面，22、背风曲面，23、底面，24、端面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，包括叶片本体1和端壁结构，该端壁结构为一对结构相同并且互相对称设置的涡发生器2，涡发生器2安装在叶片本体1的前缘根部。每个涡发生器2为弯曲的尖角状，两个涡发生器2的尖角相向弯曲。
如图2所示，每个涡发生器2包括迎风曲面21、背风曲面22、底面23和端面24。其中迎风曲面21、背风曲面22、底和端面24均为三角面；底面23的三条边分别连接迎风曲面21、背风曲面22和端面24；迎风曲面21、背风曲面22和端面24的侧边互相两两连接。迎风曲面21和底面23相连形成曲线A，迎风曲面21和背风曲面22相连形成曲线B、背风曲面22和底面23相连形成曲线C，曲线C的长度大于曲线B的长度，曲线B的长度大于曲线A的长度。背风曲面22的面积大于迎风曲面21的面积。底面23可以为平面也可以为曲面，本实施例中采用平面。端面24连接叶片本体1，也就是说涡发生器2只有迎风曲面21和背风曲面22裸露在流道中。
如图3和图4所示，每个涡发生器2的宽度W小于等于涡流叶片通道间距Wd的四分之一。宽度W为涡发生器2高度H的1～5倍。每个涡发生器2的长度L为涡发生器2宽度W的0.5～4倍。同时每个涡发生器2高度H为涡发生器2的边界层厚度的0.25～4倍。边界层厚度是空气流过涡发生器2表面时，在壁面附近形成的流速梯度明显的流动薄层。可通过现有的模拟实验方式精确得到。从端面24的一侧看，背风曲面22最大长度Ld占总长度L的0.4～0.7；迎风曲面21的最大长度Lu占总长度L的0.05～0.3；迎风曲面21的延展长度Ls占总长度L的0.4～0.7。
本实施例中，需要根据叶片具体情况分析流道中流场和通道涡的流动结构，从而确定涡发生器2的曲面的最优参数，具体的设计步骤如下：
(1)根据涡轮叶片来流攻角情况，确定涡发生器2与叶片本体1之间的布置角度；
(2)根据涡轮叶栅流道内流动情况，尤其是对马蹄涡生成和碰撞吸力面的分析，确定宽度W及涡发生器2的布置位置，基于工况，利用实验或数值模拟等研究方法对造型尺寸进行优化调整。
需注意的是，涡发生器2的高度H需要综合考虑各方面因素，妥善选择；如果过小，将难以产生强度足够的旋涡，如果高度过大，对前缘流动会产生较大的干扰增加损失，因此需将造型高度H控制在涡发生器2的边界层厚度的0.25～4倍。
本实施例的具体结构加工可采用传统的铸造方法进行，结构简单，采用参数化设计，根据具体情况更改设计参数后加工方便，便于制造和应用。
通过上述设计步骤对某个涡轮叶片进行具体设计。叶片通道间距Wd为30mm，宽度W即曲线C的水平宽度为5.6mm。端面24上曲线C和曲线B的水平距离是背风曲面22最大长度Ld为5.4mm；端面24上曲线B和曲线A的水平距离是迎风曲面21的最大长度Lu为1.8mm；曲线A两端组成的线段在端面24上的投影的水平长度是迎风曲面21的延展长度Ls为5.8mm。总长度L为10mm。设计思路中三条曲线的水平宽度是一致的，末端归于一点，实际制造的问题，在末端做了圆角。端面24上曲线B距底面23的垂直距离为造型高度H为2mm。
综上，本实施例通过在传统的涡轮叶片上提供布置旋涡发生器2，使得来流在经过其后能够产生一对与通道涡旋转方向相反的旋涡。使得产生的旋涡与马蹄涡相互作用，从根源上削弱通道涡的生成，降低流道中由通道涡产生的气动损失。这种曲面造型能产生稳定的旋涡，具有良好的工作可靠性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，包括叶片本体(1)和端壁结构，该端壁结构为一对结构相同并且互相对称设置的涡发生器(2)，所述涡发生器(2)安装在叶片本体(1)的前缘根部。
2.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)为弯曲的尖角状，两个涡发生器(2)的尖角相向弯曲。
3.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)包括迎风曲面(21)、背风曲面(22)、底面(23)和端面(24)，其中迎风曲面(21)、背风曲面(22)、底面(23)和端面(24)均为三角面，所述底面(23)的三条边分别连接迎风曲面(21)、背风曲面(22)和端面(24)，所述迎风曲面(21)、背风曲面(22)和端面(24)的侧边互相两两连接，所述端面(24)连接叶片本体(1)。
4.根据权利要求3所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，所述背风曲面(22)的面积大于迎风曲面(21)的面积。
5.根据权利要求3所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，所述的底面(23)为平面。
6.根据权利要求3所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，迎风曲面(21)和底面(23)相连形成曲线A，迎风曲面(21)和背风曲面(22)相连形成曲线B、背风曲面(22)和底面(23)相连形成曲线C，曲线C的长度大于曲线B的长度，曲线B的长度大于曲线A的长度。
7.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)的宽度小于等于涡流叶片通道间距的四分之一。
8.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)的宽度为涡发生器(2)高度的1～5倍。
9.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)的长度为涡发生器(2)宽度的0.5～4倍。
10.根据权利要求1所述的一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其特征在于，每个涡发生器(2)高度为涡发生器(2)的边界层厚度的0.25～4倍。
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